基于多智能体和土地转换模型的耕地撂荒模拟研究——以陕西省米脂县为例

多模型耦合已经成为国内外模拟LUCC有效途径之一。论文通过如下步骤阐明宏观耕地撂荒格局和微观主体行为间的互动机理。首先,将微观主体间的相互作用纳入其决策,构建有限理性多智能体决策模型（Multi-Agent System,MAS）;其次,通过SNNS平台的训练学习以及与历史数据对比分析,验证土地转换模型（Land Transformation Model,LTM）模拟研究区宏观撂荒格局的有效性;最后,依据多模型耦合机理,耦合MAS模型与LTM模型,形成耕地撂荒模拟模型（Cropland Abandonment Simulation Model,CASM）,并基于研究区耕地撂荒的实际数据,探讨模型的合理性和可行性。结果表明：与2013年历史土地利用数据对比,CASM模型的PCM（Percent Correct Metric）系数为71%,比单独利用LTM模型的模拟精度提高3%,不仅表明CASM能够较好地模拟分析米脂县耕地撂荒空间格局分布,而且可有效揭示宏观耕地撂荒格局的微观驱动机理;同时,文章指出未来研究中要考虑政策和市场的影响,进一步完善不同层次主体决策对撂荒的影响,以此来提高模型对现实耕地撂荒的解释力。     

基于CBDI的农户耕地撂荒行为模型构建及模拟研究——以陕西省米脂县冯阳坬村为例

目前,建立于复杂性科学基础上的多智能体模型(MAS)已成为模拟研究土地利用变化的重要方法。论文在MAS理论之上,构建一个基于Category-Belief-Desire-Intention(CBDI)决策结构的MAS模型,结合Net Logo软件平台,模拟分析农户Agent土地利用行为,并将结果与Belief-Desire-Intention(BDI)模型进行比较。论文以陕西省米脂县冯阳坬村为例进行研究,分析结果表明:1)通过对基于CBDI的MAS模型验证(模型精度为87.19%),相比于传统的BDI决策模型精度有所提高;2)Net Logo平台能够展示农户决策的过程,直观地显示MAS模型的模拟结果;3)不同类型农户耕地撂荒的主要原因有所不同,该村种植户撂荒的主要因素为地理环境认知的差异和其他类农户的影响。有待进一步解决的问题:1)不同类Agent相互影响及其量化;2)高精度基础数据的获取和梯田DEM的引入。     

基于CBDI的农户耕地撂荒行为模型构建及模拟研究——以陕西省米脂县冯阳坬村为例

目前,建立于复杂性科学基础上的多智能体模型（MAS）已成为模拟研究土地利用变化的重要方法。论文在MAS理论之上,构建一个基于Category-Belief-Desire-Intention（CBDI）决策结构的MAS模型,结合NetLogo软件平台,模拟分析农户Agent土地利用行为,并将结果与Belief-Desire-Intention（BDI）模型进行比较。论文以陕西省米脂县冯阳坬村为例进行研究,分析结果表明：1）通过对基于CBDI的MAS模型验证（模型精度为87.19%）,相比于传统的BDI决策模型精度有所提高;2）NetLogo平台能够展示农户决策的过程,直观地显示MAS模型的模拟结果;3）不同类型农户耕地撂荒的主要原因有所不同,该村种植户撂荒的主要因素为地理环境认知的差异和其他类农户的影响。有待进一步解决的问题：1）不同类Agent相互影响及其量化;2）高精度基础数据的获取和梯田DEM的引入。     

基于Agent的城市扩张占用耕地动态模型及模拟

与传统的在景观尺度上对城市扩张占用耕地时空特征及其演变规律的研究不同,论文从微观层面提出基于Agent 的城市扩张占用耕地动态模型（Urban Encroachment on CroplandDynamic Model,UECDM）,多角度深入探索耕地向城市用地转变的驱动机理及其时空动态特征,并提出协调二者平衡的可持续发展对策。在UECDM模型中引入视域分析,通过模拟地形和观察点将视觉景观的量化评价结果应用到居民居住区位决策过程,从而分别构建包含可视域的能够更全面表征环境要素及其内部关系的元胞自动机层和不同类型Agent 相互作用的多智能体层,兼顾人类决策行为和城市空间生长自组织性。应用该模型对天津城市扩张占用耕地进行动态模拟研究,并从数量与空间格局两方面展开精度验证,Kappa 系数达到0.795,依据4 个景观格局指数计算得到模拟结果的平均相对误差为3.86%,表明模型具有较高可信度。对不同时期模拟结果的分析表明,天津城市扩张占用耕地空间主要表现为“摊大饼”式外延扩展和跳跃式“卫星城”,研究结果将为未来城市发展规划和耕地保护提供决策支持。     

基于农户行为的土地利用人工社会模型的构造与应用

为探讨人工社会在土地利用变化研究领域中的应用,研究创建了一个模拟土地利用变化过程的人工社会模型(LUC-ASM)。该模型以农户和农民为两类主体(agents),模拟分析不同社会经济条件和政策影响下,两类主体对自己承包土地利用方式的微观决策所可能产生的宏观效应及其时空变化特征。以鄱阳湖区一个现实村落为主要研究对象,以农户从事各类生产活动的行为特征为准则,利用LUC-ASM模型模拟未来30年内该村落土地利用变化过程。结果表明,未来这一地区土地利用的变化与人口增长结构调整方式、国家土地利用与环保政策、社会经济发展态势等因素密切相关;在城市化的影响下,该地区的农业劳动力将会出现短缺,农村土地有可能被撂荒,需要及早采用政策措施予以避免。总体而言,LUC-ASM模型能够形象地反映土地利用变化过程的微观驱动机理及各种社会经济与环境因素影响的宏观效应,有助于深化我们对人与自然环境相互作用的认识。     

农户土地利用决策对农业景观格局的影响研究——以陕西省米脂县孟岔村为例

探讨微观主体——农户土地利用行为与宏观农业景观格局之间的互动机理,对于了解农户行为的变迁,认识和理解农业景观格局的演变特征和过程,进而调控农户土地利用行为和优化农业景观格局,显然具有重要的理论与现实意义。论文利用构建的农户土地利用决策模型、个体对群体与群体对整体权重影响模型,利用实际收集的陕西省米脂县孟岔村2007年与2008年数据(地籍、地块面积与农户收入等数据),探讨占优势的土地利用决策与占优势的农业景观格局关系。得出如下结论:①占优势的土地利用决策并不一定形成该土地利用方式占优势的土地利用格局;②当年占优势的农户整体土地利用决策并不一定形成次年该土地利用方式占优势的土地利用格局。并提出今后需要进一步研究与探讨的问题:①完善农户土地利用决策模型,在模型中增加风险规避、土地轮作、特殊地类转化等因素;②进一步探索整合地块面积及其空间布局与土地利用决策的方法。     

Multi-Agent System 模型在土地利用/覆盖变化中的研究进展

在微观与中宏观尺度上,MAS模型可以反映景观中具有自动性、异质性和分散性的人类决策,利于阐明智能体对自然与社会经济环境的适应机制。因而在自然资源管理、农业经济和城市模拟等领域得到广泛应用。目前,该模型的研究主要集中在智能体决策、智能体相互作用、模型多尺度、模型检验与验证等几个方面。综合分析得出如下结论:①智能体决策框架还需进一步完善,特别有限理性决策框架(Bounded Rationality)还需进一步完善;②智能体之间相互作用的研究仍停留在定性的、概念性的水平,还需进一步研究定量分析智能体相互作用的方法;③在多尺度研究中,第一种尺度转化途径机理明确,但决策的空间显性(spatially-explicit)表达较为困难;第二种途径可以表达空间显性,但决策与土地利用变化之间的逻辑解释不强;第三种途径可以表达土地利用过程中决策与复杂性关系,但智能体之间的相互作用处理较为简单;④还需加强对模型的检验与验证方面的研究,探索验证人类复杂行为的技术方法。     

中国粮食主产区耕地撂荒程度及其对粮食产量的影响

耕地撂荒严重地影响着我国的粮食安全。以我国粮食主产区为研究区域,在识别撂荒地分布的基础上,测度了撂荒地空间分布格局,并建立耕地撂荒中介效应模型,探究了耕地撂荒对区域粮食产量的影响机制。结果表明：（1）中国粮食主产区耕地撂荒规模为405.53万hm²,撂荒率约为5.85%;空间上撂荒地规模分布呈“T”字形空间格局,黑龙江东北部、吉林西北部以及内蒙古南部地区为撂荒地主要集聚区。（2）耕地撂荒对于粮食主产区粮食产量具有显著负向影响,2017年我国粮食主产区因耕地撂荒损失的农田生产潜力达到1339.15万t,损失的粮食产量高达2265.6万t,损失比例达4.69%;内蒙古自治区成为粮食产出损失量和损失比例最大的地区。（3）粮食播种面积、农田生产潜力和农业技术投入均发挥了部分中介作用,系数分别为-0.194、-0.025和0.006。（4）应遵从城乡融合以及农业农村发展态势,强化粮食主产区农业生产现代要素投入与政策扶植,构建粮食生产—耕地休耕空间转换弹性机制,保障我国粮食安全。     

非农就业与土地流转对农户耕地撂荒行为的影响——以闽赣湘山区为例

耕地撂荒是世界各国长期普遍存在的一种土地利用变化现象。基于闽赣湘山区640户农户调查数据,运用Tobit和IV-Tobit模型回归分析得出：农户家庭非农就业每提升10%,耕地撂荒占比会增加1.11%;小规模农户土地转入会提升其耕地撂荒规模,此时扩大经营规模对耕地撂荒的减缓作用甚微,而土地转出会降低非农就业对耕地撂荒的正向影响。此外,农户的劳动力、土地与农业机械等要素投入,以及灌溉条件和地块数等均稳健影响其耕地撂荒行为。农业机械化和土地流转是缓解山区耕地撂荒的重要举措,政府在推动经营规模扩大的同时,应着重提高地块规模,鼓励留村务农劳动力换工,并提升农机社会化服务水平,以及拓宽农户家庭多元化的收入机会。     

移民搬迁是否加剧了山区耕地撂荒?——基于陕南三市1578户农户面板数据

山区移民搬迁是否加剧耕地撂荒关系到移民稳定性及国家粮食安全,具有重要的研究价值。基于陕西省南部地区商洛、安康、汉中3市8县(区)1578户农户调查数据,运用面板Logit和Tobit模型回归得出,移民年数对是否撂荒、撂荒面积及撂荒耕地占比在1%的水平上有正向影响;仅当移民距离超过0.5 km时,农户耕地撂荒面积及撂荒耕地占比显著增加;不同移民类型中,工程移民对耕地撂荒的影响程度最大,避灾移民影响程度最小;另外,户主特征、家庭特征、资源禀赋特征、农地流转特征显著影响了农户的耕地撂荒行为。可以得出,移民搬迁加剧了山区耕地撂荒,城镇生活的转变及务农时间机会成本的增加是耕地撂荒的主要原因。建议政府对工程移民农户进行有土安置,加大生态移民区退耕还林支持力度,扶持扶贫、避灾移民农户发展特色产业,加快农地流转信息平台建设。     

基于MAS与CA的滇池流域土地利用变化模型研究

采用多智能体(Multi-Agent System,MAS)、元胞自动机模型(Cellular Automata,CA)和GIS技术,对流域土地利用/土地覆盖变化(LUCC)进行模拟研究,分析了其空间格局变化特征。该文以滇池流域为例动态模拟了滇池流域2002年到2024年土地利用空间格局与结构,并采用点对点精度和Lee-Salle指数验证模拟结果,模拟结果的点对点精度达到82.29%,Lee-Salle总指数超过0.5。     

森林转型的微观机制——以重庆市山区为例

20世纪80年代以来,我国进入森林转型阶段。系统认识森林转型的微观机制,有利于提出针对性的促进森林面积增长的措施,而已有研究未做深入分析。利用重庆市"两翼"地区的1 015份农户调查数据,论文从农户尺度分析了森林转型的微观机制及其主要影响因素。结果显示:在农户尺度上,森林转型的微观机制有薪柴替代、耕地撂荒、牲畜养殖数量减少及林果种植。农业劳动力向非农就业转移能够加快薪柴替代、林果业发展,同时也能造成耕地撂荒、牲畜养殖数量减少。此外,提高煤炭等替代能源的可获得性及加快政府沼气政策的实施和普及能加快薪柴替代;耕作半径、劣质地及野猪破坏会造成耕地撂荒,而地质灾害隐患和缺少灌溉及其他农户耕地撂荒行为等也对耕地撂荒具有一定影响;地方鼓励政策会加快林果业发展。最后,提出了加快森林植被恢复的建议。     

移民搬迁是否加剧了山区耕地撂荒?——基于陕南三市1578户农户面板数据

山区移民搬迁是否加剧耕地撂荒关系到移民稳定性及国家粮食安全,具有重要的研究价值。基于陕西省南部地区商洛、安康、汉中3市8县（区）1578户农户调查数据,运用面板Logit和Tobit模型回归得出,移民年数对是否撂荒、撂荒面积及撂荒耕地占比在1%的水平上有正向影响;仅当移民距离超过0.5 km时,农户耕地撂荒面积及撂荒耕地占比显著增加;不同移民类型中,工程移民对耕地撂荒的影响程度最大,避灾移民影响程度最小;另外,户主特征、家庭特征、资源禀赋特征、农地流转特征显著影响了农户的耕地撂荒行为。可以得出,移民搬迁加剧了山区耕地撂荒,城镇生活的转变及务农时间机会成本的增加是耕地撂荒的主要原因。建议政府对工程移民农户进行有土安置,加大生态移民区退耕还林支持力度,扶持扶贫、避灾移民农户发展特色产业,加快农地流转信息平台建设。     

活性污泥法污水处理厂生物-水力耦合建模及校验研究

为了考察生物反应器中水力流场对污染物质生物去除效果的影响以及研究生物代谢模型对生物除磷效果模拟的情况,在FCASM1模型的基础上,结合Delft磷代谢机理模型的思想,建立完全耦合活性污泥2号模型(Fully Coupled Activated Sludge Model No.2,简称FCASM2);并通过一维纵向对流-弥散方程与生物场耦合,建立了生物场-水力流场耦合新模型--FCASM2-Hydro耦合模型.污水处理厂模拟结果表明,生物场-水力流场耦合模型(FCASM2-Hydro)比非耦合模型对污染物质去除过程的描述更符合实际情况.在对30d的污水处理动态模拟结果中,FCASM1和FCASM2两个模型对磷酸盐的模拟结果与实测结果趋势一致,而且FCASM2的模拟值比FCASM1的模拟值更符合实测结果;在3d的污水处理动态模拟结果中,这2个模型对磷酸盐的模拟结果与实测结果趋势基本一致.     

森林转型的微观机制——以重庆市山区为例

20世纪80年代以来,我国进入森林转型阶段。系统认识森林转型的微观机制,有利于提出针对性的促进森林面积增长的措施,而已有研究未做深入分析。利用重庆市“两翼”地区的1 015份农户调查数据,论文从农户尺度分析了森林转型的微观机制及其主要影响因素。结果显示：在农户尺度上,森林转型的微观机制有薪柴替代、耕地撂荒、牲畜养殖数量减少及林果种植。农业劳动力向非农就业转移能够加快薪柴替代、林果业发展,同时也能造成耕地撂荒、牲畜养殖数量减少。此外,提高煤炭等替代能源的可获得性及加快政府沼气政策的实施和普及能加快薪柴替代;耕作半径、劣质地及野猪破坏会造成耕地撂荒,而地质灾害隐患和缺少灌溉及其他农户耕地撂荒行为等也对耕地撂荒具有一定影响;地方鼓励政策会加快林果业发展。最后,提出了加快森林植被恢复的建议。     

基于多层次模型的农户土地利用决策影响因素分析——以陕西省米脂县高西沟村为例

土地利用变化驱动力研究一直是学者们关注的热点问题之一,土地利用驱动力在不同尺度的变化也越来越受学者们关注。论文以陕西省米脂县高西沟村为研究区域,在地形图、航片解译数据及2009年实际测量数据和农户调查数据的基础上,基于多层次模型的理论,借助HLM6.07(student)软件工具,构建从地块(微观尺度)到农户(中观尺度)的二层土地利用决策影响因素模型,试图揭示微观层面土地利用决策的影响因素在不同尺度上的变化机制。研究结果表明:①农户选择种植土豆、谷子作物的土地利用决策与地块的自然因素和农户的社会经济因素有关;②农户种植土豆、谷子行为决策的影响因素存在差异;③将多层次模型应用到从微观尺度到中观尺度分析农户土地利用决策影响因素是符合实际情况的,这为进一步构建影响农户土地利用决策的因素——微观尺度(地块)、中观尺度(农户)、宏观尺度(村庄)的三层模型奠定了基础,同时为研究土地利用决策机制提供了一种方法。     

基于IAD延伸决策模型的农户耕地休养意愿研究

基于IAD延伸决策模型,通过1 004个农户样本数据的二元Logistic整体回归及分组回归分析发现：农户耕地休养意愿同时受到户主特征及家庭概况变量、耕地休养规则变量、休养环境与市场变量和认知改革变量的影响。农户生境的耕地依赖性制约了耕地休养;曾撂荒农户和未撂荒农户在4个方面变量,尤其是休养规则偏好上存在显著差异。曾撂荒农户倾向于自由度高、政府遴选权力低的休养规则,未撂荒农户更倾向于补偿标准高、有一定决策自由度的休养规则;在IAD语境下的进一步讨论表明以多元模式为代表的休养规则可能有效改善耕地质量,但在整个耕地休养的动态过程中,需要注意区分不同参与主体,选择性地允许农户参与构建相关规则,从而促进耕地休养的可持续性。     

不同开发模式下城市雨洪及污染模拟研究进展

近年来,城市化进程的加快加剧了城市洪涝灾害及面源污染问题,建立有效的、适合中国城市发展状况的雨洪及面源污染模拟模型,可为海绵城市规划和建设提供有力支撑。总结了典型城市雨洪及面源污染模型的计算方法,对比了各模型对城市传统开发和低影响开发模式的模拟结果。低影响开发模式较传统开发模式,对城市地表径流水量、水质有较好地调控效果。同时,探讨了各模拟软件的现状和不足。为提高模型的适应性和模拟的准确性,城市雨洪及面源污染模型在模拟计算时需强化具体的量化方法、考虑多种影响因素并对模型模拟结果进行不确定性分析。未来研究的重点应侧重于:从宏观尺度上,研究和开发水文学-水力学、水量-水质耦合模型、提高雨水监测技术、强化3S技术耦合能力;从微观尺度上,耦合土壤孔隙介质变化过程中水流和溶质迁移过程模型。同时,结合低影响开发水文与水质改善情况,模拟过程中可进行经济、环境和社会效益分析,为区域水土环境保护决策提供定量依据。     

城市地表系统POPs多介质循环过程与模拟研究进展

城市地表系统(USS)是陆地表层系统的重要组成部分,而以不透水面覆盖为主要特征的城市土地利用/覆被变化(LUCC)时空过程,打破了系统原有自然地理格局与过程,影响不同介质和界面间的物质循环与能量流动,改变POPs等污染物的循环过程与机理,是城市环境变化和人地相互作用的指示器与重要驱动力,是城市生态环境规划与管理保护的关键依据.本文总结了城市LUCC对POPs多介质分布迁移的影响,包括单介质中POPs的时空分布特征和POPs多介质迁移累积过程;从城市POPs多介质归趋模拟和基于GIS的城市多介质归趋模拟等方面,讨论了城市POPs多介质循环过程归趋模拟的主要进展;展望今后研究中需要重点解决的科学问题:基于不透水面的城市LUCC信息精确提取及与POPs排放输入等相关数据的同化集成; POPs多介质多界面迁移、转化过程与城市LUCC的耦合机理;城市LUCC背景下POPs循环过程、机制的关键模型参数的构建与获取;基于GIS和城市POPs循环过程与机理的、具有高时空分辨率的城市多介质归趋模型(UMFM)的构建与应用.     

机理和数据混合驱动的排水系统控制模型构建方法

针对城市排水系统的优化控制,提出一种机理和数据混合驱动的控制模型构建方法。该方法根据与控制目标的相关程度划分排水系统,并利用长短时记忆神经网络模型和圣维南方程刻画不同分区,可为系统的模型预测控制提供工具支撑。为验证方法的有效性,选取A市某污水处理厂服务片区为研究对象,运用所提出方法,基于机理模型构建简化控制模型,并在实际降雨下将该模型与水库模型和纯数据驱动模型进行对比。结果表明:所构建的控制模型在2个溢流口的模拟准确性相对水库模型提升了3.85%和22.86%,相对纯数据驱动模型提升了5.66%和3.57%(以均方根误差的均值计);模拟效率较机理模型提高了98.7%。该控制模型构建方法可在一定程度上平衡模拟准确性和模拟效率的矛盾,从而可更好地支撑城市排水系统的优化运行。研究结果可为实施排水系统实时控制提供参考。